科学家提出荧光探针分子结构半定量设计方法

最近，中国科学院大连化学物理研究所的韩克立团队和朴海龙团队提出了一种基于概念密度泛函理论中局部亲电指数的谷胱甘肽硫转移酶(GST)检测荧光探针分子结构的半定量设计方法。相关结果发表在《研究》上。

谷胱甘肽硫转移酶(GST)作为第二阶段解毒酶，能够催化谷胱甘肽(GSH)对亲电或疏水物质的硫醇亲核攻击，实现其生理功能。在许多肿瘤细胞系中，特别是在抗癌药物抗性细胞系中，GST同工酶的许多同工型被过表达。因此，高信噪比检测谷胱甘肽转移酶对癌症的早期诊断和治疗具有重要意义。以前报道的GST荧光探针大多使用2，4-二硝基苯磺酰基作为识别和反应基团。虽然这一组可以保证极高的灵敏度，但它也带来严重的背景噪声。这是由这一组对谷胱甘肽相当大的非酶化学反应活性引起的。为了获得实用的高性能谷胱甘肽硫转移酶荧光探针，有必要降低识别基团的背景反应噪声。然而，灵敏度和背景噪声通常是一对相互制约和平衡的因素。因此，反应活性的微调是找到平衡点的关键。

概念密度泛函理论(CDFT)基于分子的基态性质由其基态电子密度唯一决定的原理，给出了化学相关概念的精确物理定义和表达，可用于定量计算和测量。基于上述理论和GST酶促反应的芳香亲核取代反应机理，研究人员创新性地将CDFT的局部亲电指数ωk引入荧光探针的设计中，以定量描述探针的背景反应活性，从而有利于对反应活性进行有针对性的微调。非酶反应动力学测试结果表明，参数ωk能够准确描述和预测探针分子与谷胱甘肽的背景反应活性。酶促反应动力学测试结果表明，ωk值也可以代表灵敏度。值得注意的是，非酶反应对应的背景噪声knonc比酶反应对应的灵敏度kcat对ω k值更为敏感，这证明通过微调ωk来实现降噪和保持高灵敏度是有可操作空间的。此外，除了优化反应/识别机制外，研究团队还通过飞秒瞬态吸收光谱实验和时变密度泛函理论计算证实了系统中的光电子转移过程有助于发光机制中的低背景噪声。

该研究为基于SNAr反应的荧光探针或药物分子的半定量设计提供了新的思路。

相关文件信息:https://doi.org/ 10.34133/2020/7043124